Оптимальный выбор диаметра лазерного луча в атмосферных сетях связи распределенного и мобильного типа

Актуальность. Стремительное развитие технологии интернета вещей привело к экспоненциальному росту количества различных интеллектуальных технических средств, присоединяемых к интернету, что, в свою очередь, способствовало появлению большого объема данных, подлежащих передаче по системам связи. Электромагнитные сети связи обладают недостаточным потенциалом для решения данной задачи, наиболее эффективными здесь оказываются оптические системы передачи информации по атмосферным каналам. Однако оптические атмосферные системы связи подвержены влиянию атмосферных факторов, т. к. из-за поглощения, рассеяния и дифракции лазерный луч ослабляется по мощности и подвергается уширению. В исследуемой предметной области известны работы, посвященные расходимости луча, где рассматривается вопрос зависимости величины максимальной расходимости луча от таких показателей, как мощность лазерного источника, геометрическая длина канала, длина волны оптической радиации. Вместе с тем, в указанных работах рассматривается один канал лазерной сети связи, а вопрос о выборе диаметра лазерного луча во всех каналах лазерной многоканальной атмосферной сети не обсуждается.

Цель. Сформулирована задача оптимального выбора диаметра лазерного пучка в многоканальной системе атмосферной оптической связи распределенного типа с учетом расходимости луча. В отличие от известных работ, в которых решается задача оптимизации с учетом влияния расходимости луча, решение поставленной цели охватывает как стационарные, так и мобильные варианты реализации каналов сети всей многоканальной системы. Решение поставленной задачи осуществлено путем формирования единого целевого функционала и дальнейшей оптимизации для выявления оптимальной взаимосвязи между величиной радиуса луча на входе приемника канала и радиусом луча на выходе излучателя при подаче на рассматриваемый атмосферный канал с учетом возможности его уширения. Показано, что такое расширение диаметра лазерного луча по выявленному оптимальному закону позволяет достичь максимума средней величины интенсивности лазерного луча, переданного по атмосферному каналу ко всем приемникам системы. Проведенные модельные исследования предложенной методики учета уширения диаметра луча подтвердили возможность получения оптимального соотношения между основными показателями многоканальной лазерной атмосферной сети.

Научная новизна. Разработана математическая модель оптимизации выбора диаметра луча в многоканальной лазерной атмосферной сети.

Теоретическая и практическая значимость. Оптимизация предложенной модели позволила получить рациональное соотношение между основным показателями многоканальной лазерной атмосферной сети распределенного типа, что может найти применение при построении подобных систем.

1. Masud M., Gaba G.S., Choudhary K., Alroobaea R., Hossain M.S. A Robust and Lightweight Secure Access Scheme for Cloud Based E-Healthcare Services // Peer-to-Peer Networking and Applications. 2021. Vol. 14. Iss. 5. PP. 3043–3057. DOI:10.1007/s12083-021-01162-x. EDN:HOLGNG

2. Zhang Y., Ma X., Zhang J., Hossain M.S. Edge Intelligence in the Cognitive Internet of Things: Improving Sensitivity and Interactivity // IEEE Network. 2019. Vol. 33. Iss. 3. PP. 58–64. DOI:10.1109/MNET.2019.1800344

3. Harada R., Shibata N., Kaneko S., Imai T., Kani J.I., Yoshida T. Adaptive Beam Divergence for Expanding Range of Link Distance in FSO With Moving Nodes Toward 6G // IEEE Photonics technology letters. 2022. Vol. 34. Iss. 20. PP. 1061‒1064. DOI:10.1109/LPT.2022.3199789

4. Sahoo P.K., Yadav A.K., Prajapati Y.K., Tripathi R. Optimum APD Gain Evaluation of FSO System for Inter-building Laser Communication Application // Select Proceedings of VCAS: Advances in VLSI, Communication, and Signal Processing. Lecture Notes in Electrical Engineering. Singapore: Springer, 2020. Vol. 587. PP. 307‒314. DOI:10.1007/978-981-32-9775-3_29

5. Ding J., Nemati M., Ranaweera C., Choi J. IoT Connectivity Technologies and Applications: A Survey // IEEE Access. 2020. Vol. 8. PP. 67646–73. DOI:10.1109/ACCESS.2020.2985932. EDN:PTUAHG

6. Liu T., Lu D. The application and development of IoT // Proceedings of the International Symposium on Information Technologies in Medicine and Education (Hokodate, Hokkaido, 03‒05 August 2012). IEEE, 2012. Vol. 2. PP. 991–994. DOI:10.1109/ITiME.2012.6291468

7. Masud M., Alazab M., Choudhary K., Gaba G.S. 3P-SAKE: Privacy-Preserving and Physically Secured Authenticated Key Establishment Protocol for Wireless Industrial Networks // Computer Communications. 2021. Vol. 175. PP. 82–90. DOI:10.1016/ j.comcom.2021.04.021. EDN:ODUELB

8. Gaba G.S., Kumar G., Kim T.-H., Monga H., Kumar P. Secure Device-to-Device communications for 5G enabled Internet of Things applications // Computer Communication. 2021. Vol. 169. PP. 114‒128. DOI:10.1016/j.comcom.2021.01.010. EDN:URLIZU

9. Huang L., Liu S., Dai P., Li M., Chang G.-K., Shi Y. Unified Performance Analysis of Hybrid FSO/RF System with Diversity Combining // Journal of Lightwave Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 24. PP. 6788–6800. DOI:10.1109/JLT.2020.3018125. EDN:LTGOED

10. Bloom S., Hartley W. The last-mile solution: Hybrid FSO Radio. 2002. URL: https://www.semanticscholar.org/paper/The-last-mile-solution%3A-Hybrid-FSO-Radio-Bloom-Hartley/d3ff29c18df55d5fb8baf4372adddc2399ceb121 (Accessed 28.03.2025)

11. Guiomar F.P., Lorences-Riesgo A., Ranzal D., Rocco F., Sousa A.N., Fernandes M.A., et al. Adaptive Probabilistic Shaped Modulation for High-Capacity Free-Space Optical Links // Journal of Lightwave Technology. 2020. Vol. 38. Iss. 23. PP. 6529–6541. DOI:10.1109/JLT.2020.3012737. EDN:XYPJOZ

12. Rangan S., Rappaport T.S., Erkip E. Millimeter-Wave Cellular Wireless Networks: Potentials and Challenges // Proceedings of the IEEE. 2014. Vol. 102. Iss. 3. PP. 366–385. DOI:10.1109/JPROC.2014.2299397

13. Zhao Z., Liao R., Zhang Y. Impact of Laser beam deverging angle on free-space optical communications // Proceedings of the Aerospace Conference (Big Sky, Montana, USA, 05‒12 March 2011). IEEE, 2011. DOI:10.1109/AERO.2011.5747410

14. Killinger D. Free-Space Optics for Laser Communication Through the Air // Optics and Photonics News. 2002. Vol. 13. Iss. 10. PP. 36–42. DOI:10.1364/OPN.13.10.000036

15. Farid A., Hranilovic S. Outage Capacity Optimization for Free-Space Optical Links with Pointing Errors // Journal of Lightwave Technology. 2007. Vol. 25. Iss. 7. PP. 1702‒1710. DOI:10.1109/JLT.2007.899174

16. Ren Y., Dang A., Luo B., Guo H. Capacities for Long-Distance Free-Space Optics Links Under Beam Wander Effects // IEEE Photonics Technology Letters. 2010. Vol. 22. Iss. 14. PP. 1069‒1071. DOI:10.1109/LPT.2010.2050468. EDN:ODHBUJ

17. Peppas K.P., Datsikas C.K. Average Symbol Error Probability of General-Order Rectangular Quadrature Amplitude Modulation of Optical Wireless Communication Systems Over Atmospheric Turbulence Channels // Journal of Optical Communications and Networking. 2010. Vol. 2. Iss. 2. PP. 102–110. DOI:10.1364/JOCN.2.000102

18. Arnon S. Effects of atmospheric turbulence and building sway on optical wireless communication systems // Optics Letters. 2003. Vol. 28. Iss. 2. PP. 129‒131. DOI:10.1364/OL.28.000129

19. García-Zambrana A., Castillo-Vázquez B., Castillo-Vázquez C. Asymptotic error-rate analysis of FSO links using transmit laser selection over gamma-gamma atmospheric turbulence channels with pointing errors // Optics Express. 2012. Vol. 20. Iss. 3. PP. 2096‒2109. DOI:10.1364/OE.20.002096.

20. Mitsev T., Kolev N., Ivanov H., Dimitrov K. Optimum Divergence of the Transmitter Optical Radiation in FSO Systems // Proceedings of the 6th International Conference of Environmental Science and Technology (ICEST 2012, Veliko Tarnovo, Bulgaria, 28‒30 June 2012). 2012.

21. Singh H., Miglsni R., Mittal N., Gaba G., Masud M., Aljahdali S. Design and analysis of commercially viable free-space optical communication link for diverse beam divergence profiles // Frontiers in Physics. 2021. Vol. 9. DOI:10.3389/fphy.2021.778734. EDN:UHUYWI

22. Andrews L.C., Phillips R.L. Laser Beam Propagation through Random Media. Bellingham, Washington: SPIE, 2005. 783 p. DOI:10.1117/3.626196. EDN:YCTRZM